에틸렌 플랜트의 주목적은 주원료인 천연가스 액체, 나프타 등의 탄화수소를 에틸렌 등 고부가가치 물질을 함유한 ‘분해가스’로 전환하는 것이다. 이런 플랜트에서는 열분해 가열로를 통해 분해가스가 생성되고, 분리 공정을 거쳐 분해가스에 포함된 유용한 물질이 복원된다.

에틸렌 플랜트 유량 제어
분해가스를 만드는데 사용되는 가열로에는 보통 4개의 유량 제어를 적용할 수 있는 분야가 있다. 이 분야에 적합한 기술의 유량계를 적용해 분해가스 내 변수를 측정하면 공장 신규 건립 시 비용과 공사 일정 연장에 대한 리스크를 줄일 수 있으며, 그 외에도 운전비용과 가열로 유지보수 비용 절감도 가능해진다.

정상 분해 및 탈탄소
각 가열로는 완전히 구분된 2단계를 거치는 사이클로 작동한다. 첫 번째는 정상 분해 작업으로 열분해를 통해 탄화수소 형태의 공급 원료를 고부가가치를 지닌 물질로 전환하는 단계며, 두 번째는 탈탄소 작업으로 정상 분해 작업시 가열로 코일에 쌓인 코크스를 제거하는 과정이다.
탈탄소와 보수 작업을 위해 주기적으로 가동 중단이 필요함에 따라 에틸렌 플랜트는 대개 6~12개의 가열로를 보유하고 있다. 보통 가열로 하나는 탈탄소 중이고, 하나는 ‘상시 대기’ 중이며, 나머지 가열로는 생산가동 중이다. 에틸렌 생산자가 가열로를 탈탄소하기 위해 소요되는 시간은 수익성과 직접적인 연관성이 있다. 탈탄소를 하기 위해 매일 가열로를 정지한다는 것은 생산의 손실을 뜻하며, 이는 수백만 달러의 수익 감소를 야기한다.

	그림 1. 코일 출력 온도 조절

유량 조절
가열로 운영자는 정상 분해 작업시 최적의 가열로 운전 조건을 유지하기 위해 다양한 유량 조절 기술을 활용한다.
그 중 하나는 가열로 내부 온도 조절을 가능하게 해주는 연료 가스 주입량을 관리하는 것이다. 가열로가 과다 연소할 경우 제조 온도가 최적 온도 이상으로 올라가 코킹 비율이 올라갈 수 있기 때문에 적절한 유량 조절이 매우 중요하다.
코킹 비율이 증가하면 탈탄소 공정의 빈도가 높아지고, 결국 수익의 손실을 경험하게 된다. 과다 연소는 핵심 고려 사항이며 최소 수준으로 유지돼야 한다.
또 다른 기법은 공급 원료인 탄화수소의 유량과 희석 증기의 유량을 제어하는 것. 희석 증기는 반응물질의 부분 압력을 조절해 코킹 비율을 낮추고 분해가스 유출물의 값을 최적화하기 위해 사용된다. 탄화수소의 양에 비례하는 희석 증기의 양은 분해가스의 상업적 가치 최적화라는 일차적 목적을 위해 엄격하게 통제된다.

연료 가스 유량 조절
효율적인 연료 가스 조절을 위해서는 가스 발열량과 질량 유량 측정이 필요하다.

가스 발열량
대부분의 에틸렌 생산자는 공정 자체에서 생성되는 연료 가스를 가열로의 일차적인 연료로 사용하며(그림 1), 추가적으로 필요한 경우 천연가스를 구매해 연료 가스로 사용하게 된다. 플랜트 가스를 최대한 많이 사용하고 천연 가스를 최대한 적게 사용하는 것이 경제적으로 가장 바람직하다고 할 수 있지만, 플랜트 연료 가스 공급량은 매우 유동적이다. 그러므로 가열로에 사용되는 연료 가스의 성분은 시간이 흐름에 따라 크게 변하게 되며, 결국 연료 가스가 공급하는 발열량에도 큰 변화가 생긴다.

발열량은 가열로가 필요한 온도를 유지하기 위해서 요구되는 가스 양을 결정한다. 발열량이 높으면 더 적은 양의 가스가 필요하고, 발열량이 낮으면 더 많은 양의 가스가 필요하다. 요구되는 공급 열량 유지를 위해 연료 가스 필요량을 확인하기 위해서는 연료 가스 발열량이 반드시 필요하다. 이 값이 확인되면 관리자는 유량 조절 밸브와 질량 유량계로 구성된 유량 조절 루프를 사용하여 가열로에 적절한 양의 가스를 투입한다.

오늘날 가스 발열량 계산에 사용되는 기술로는 열전도율, 가스 크로마토그래피, 진동 형 센서 등 여러 가지가 있으나, 이 경우에는 빠른 반응 속도, 높은 정확도 및 온도, 압력과 가스 압축률 변화에 대한 면역성이 높다는 이유로 진동 센서 사용이 권장된다. 진동 센서는 비중과 분자량을 직접 측정할 수 있기 때문에 가능하다. 진동 원리를 이용한 기술은 가스 연소, 운반 기체 및 구동부가 없어 부가적인 이점을 제공해준다. 추가적으로 본질 안전 형이며, 재 교정 빈도와 비용이 최소화된다.

질량 유량
이 측정 방법의 경우 계기 종류 선택에 있어 가장 중요시 되는 요소는 미터 설치에 따른 허용 가능한 영구 압력 손실 값이다. 연료 가스 시스템은 비교적 낮은 압력에서 가동되며, 유량계로 인해 발생하는 영구 압력 손실은 보통 2psi(0.14바) 이하여야 한다. 4：1 턴다운에서 정확한 측정이 요구된다.
질량 유량을 측정할 수 있는 기술은 다양하지만, 가장 경제적인 선택은 컨디셔닝 오리피스판을 통한 다변수(질량 유량 계산을 위해 압력과 온도 보상) 차압 측정이다. 유량계는 종종 복잡한 배관 구조에 설치 될 수 있기 때문에 컨디셔닝 오리피스 판을 추천한다. 이런 배관 구조에는 배관 직관거리가 짧아 일반적인 오리피스 판이 적용될 경우 정확도와 반복성에 영향을 미칠 수 있다. 또한 설치비용 절감과 배관에 밀도 변화를 위한 온도와 압력 보상 값 측정을 위한 계기 추가 설치를 피하기 위해 통합형 온도, 정압, 차압 트랜스미터 솔루션이 권장된다. 이런 유형의 구성으로 설치비용을 40% 이상 절감할 수 있다.

미국의 한 정제소는 연료 가스 유량 조절 루프의 발열량 변화에 따른 보상을 위한 밀도 측정에 어려움을 겪고 있었다. 기존의 기술은 압력, 온도 및 가스 압축률 변화에 민감해 빈번한 교정이 요구됐고, 가열로 효율성도 낮았다. 진동 센서 기술을 설치한 후 교정 빈도수가 줄어듦에 따라 정제소는 가열로 효율 향상과 유지보수 비용 감소라는 결과를 얻게 됐다.

	그림 2. 증기 대비 탄화수소 비율 조절

탄화수소 원료 및 희석 증기의 유량 조절
희석 증기는 반응물질의 부분 압력을 조절해 코킹 비율을 낮추고 분해가스 유출물을 최적화 위해 사용된다(그림 2). 탄화수소 원료의 양에 비례한 희석 증기의 양은 일차적으로 분해가스의 상업적 가치를 최적화하기 위해서 엄격하게 통제된다.

코리올리스 유량계
에틸렌 플랜트 내 각 가열로는 다수의 탄화수소 원료 주입량과 희석 가스 증기를 측정하는 유량계가 있으며, 가열로 당 2개에서 8개 정도가 설치돼 있다. 측정값은 계산에 의한 질량 유량 값이나 공급 원료인 탄화수소 주입라인에 코리올리스 유량계를 적용한 경우, 직접 측정 질량 유량 값이 제공된다. 높은 정확도와 직접 질량 측정을 고려할 때, 특히 탄화수소 원료의 성분이 시간에 따라 크게 달라질 경우에는 코리올리스 유량계가 좋다. 코리올리스 유량계만 사용하는 경우, 헤더 내 압력 및 온도 측정은 희석 증기 애플리케이션에서와 마찬가지로 밀도 변화를 효과적으로 보상해준다.

유량계는 가열로 내 각 경로에 필요한 증기 대비 단화수소 비율을 조절하기 위해 두 개가 한 쌍을 이루게 된다. 다수의 쌍은 ‘경로 밸런싱(Pass Balancing)’ 능력을 통해 탈산소 시간을 연장할 수 있는 경로간 분해 및 코킹 비율의 균등화를 가능하게 한다. 대부분의 유량 측정 기술이 요구되는 턴다운, 영구 압력 손실, 반복성 및 정확도를 만족할 수 있기 때문에 전체 설치비용이 가장 낮은 기술이 종종 선택되는 것이다.
미국 멕시코 만의 한 에틸렌 생산자는 탈산소 작업 측정시 로터미터를 사용해, 필요한 턴다운이 확보되지 않았으며, 유지보수 문제도 있었다. 생산자는 기존에 설치된 유량계를 코리올리스로 교체하기로 결심했고 궁극적으로 연간 9만달러가 넘는 유지보수 비용과 38만달러가 넘는 생산 손실 비용을 절약할 수 있었다.

무 가스켓형 볼텍스 유량계
대부분의 새로운 에틸렌 플랜트는 탄화수소 원료와 희석 증기의 각 유량 측정 지점에 독립적인 두 개의 유량 측정을 요구한다. 하나는 유량 제어, 다른 하나는 안전 루프를 위해 사용한다. 실제 관련 하드웨어의 비용만 보면 단일 오리피스 플레이트에 두 개의 유량 측정 트랜스미터가 가장 저렴한 기술이지만, 이는 설치 작업에 필요한 비용을 고려하지 않은 금액. 센서와 트랜스미터가 결합된 볼텍스 유량계와 비교할 경우 차압(DP) 트랜스미터는 설치하는데 개당 2~4이상의 시간이 더 소요된다. 이러한 어플리케이션의 각 유량 측정 지점당 트랜스미터 두 대를 적용한다고 볼 때 볼텍스 대신 DP 기술을 적용할 경우 작업시간이 4~8시간 추가된다는 의미다. 이는 총 설치비에 영향을 미치게 되고, 결국 듀얼 볼텍스 미터를 선호할 수밖에 없다.

세계적인 수준의 에틸렌 플랜트에서 차압 유량계 대신 볼텍스 기술을 사용할 경우, 유량계 대수에 따라 무려 1,000시간이 넘는 작업 시간을 줄일 수 있다. 볼텍스 미터의 경우 전통적인 차압식 유량계보다 설치가 용이하기에 공사 지연에 대한 위험도 줄어든다. 동일한 설치비용에 소요 시간과 리스크 감소라는 장점을 고려할 때 신규 공장 설립 프로젝트의 경우 듀얼 볼텍스 유량계가 탄화수소 원료와 희석 증기 주입량 측정 모두에 가장 적합한 솔루션이 될 수 있다. 볼텍스 유량계에 요구되는 전·후단 직관 길이는 오리피스 판과 차압식 트랜스미터가 요구하는 것보다 짧기 때문에 신규 설립 프로젝트와 기존 설비 개선 사업에 적용시 별도의 배관 설계 작업이 필요하지 않다.

희석 증기 미터에 대해 고려해야 하는 중요한 사항이 또 있다. 희석 증기는 공정에서 간접 원료이거나 비소모성 원료라는 것이다. 그래서 모든 희석 증기는 재사용을 위해 복구되고 재활용된다. 이 재활용된 증기 속에는 탄화수소가 잔존해 있을 가능성이 매우 높다. 잔존하고 있는 탄화수소는 전통적인 DP 트랜스미터의 임펄스 라인에 막힘 현상을 일으킬 수 있기 때문에 적절한 가동을 보장하기 위해서 주기적인 청소가 필요하다. 총 설치비용 절감과 더불어 볼텍스 유량계는 임펄스 라인을 설치할 필요가 없다는 부가적인 장점이 있다. 그러나 모든 볼텍스 미터가 똑같지는 않아 일부 유량계의 경우 기존의 차압식 설치와 동일한 영향을 받을 수 있는 가스켓을 갖고 있다.

에틸렌 생산자들은 이러한 잠재적인 문제를 제거하기 위해 가스켓이 없는 전체 용접식 볼텍스 기술을 고려해야 한다. 미터 장애로 인한 생산 손실은 이 기술로 얼마든지 막을 수 있다.
중국의 한 에틸렌 생산자는 이 애플리케이션에 가스킷이 없는 형태의 볼텍스 유량계를 적용해 연간 유지보수 비용 30만달러 이상을 절감했다. 또 다른 유럽의 한 생산 시설에서는 가열로 효율성을 2% 증가시켰다.

탈탄소 작업의 유량 측정
마지막 유량 측정 분야인 탈탄소 공기 측정은 탈탄소 작업 중 가열로가 최적의 상태에서 작동할 수 있도록 해준다(그림 3). 탈탄소 공기는 탈탄소 공정 중에 탄화수소 원료 주입 라인을 통해 주입되기 때문에 가열로 당 탈탄소 공기 측정 미터의 개수는 탄화수소 원료 측정 미터 개수와 동일하게 2~8개가 될 수 있다. 탈탄소 중 가열로 내로 들어가는 공기 유량을 더 엄격하게 조절할수록 탈산소 공정은 더 빠르고 안전하게 진행되며, 에틸렌 생산자의 생산 손실 비용을 줄일 수 있다.

특히 공정의 초기 단계에서 가열로 내 각 경로에 들어가는 공기의 양은 매우 중요하다. 공기는 가열로 코일 내 쌓인 코크스를 연소하는데 사용된다. 초기 단계에서 너무 많은 공기가 들어갈 경우 튜브를 과도하게 가열하여 손상시킬 수 있으며, 결국 에틸렌 생산자에게 높은 비용과 위험한 결과를 가져올 수 있다. 초기 코크스가 연소되고 나면, 최적의 탈탄소 비율이 유지되면서 공기의 양이 서서히 증가한다. 이 경우 비교적 넓은 25：1 이상의 턴다운에서 측정 정확성이 요구된다.

탈탄소 공기 유량계 입구에서의 압력과 온도는 비교적 일정하게 유지되기에 질량 값 계산을 위해 부피 유량 값에 추정되는 밀도 값을 적용해 계산하더라도 정확도에는 큰 영향을 미치지 않는다. 볼텍스 미터는 최대 30：1 턴다운에 걸쳐 합리적인 정확도를 유지하므로 이 부분에 적용하기 적합한 솔루션이며, 또한 총 설치비용을 최소화 해준다. 그러나 직접 질량 유량 측정이 필요하거나 볼텍스 미터의 턴다운이 충분하지 않을 경우, 코리올리스 미터를 고려할 수 있다.

현명한 선택의 중요성
에틸렌 생산자는 연료 연소, 적절한 증기 대비 탄화수소 비율 유지, 탈탄소 비율 조절과 유지보수 비용 최소화를 위한 공정 부분에 있어 정확한 제어를 유지함으로써 운영비용을 절감할 수 있다. 또한 생산자는 최초 구매 및 설치시 위의 목적을 달성함과 동시에 유량계 설치를 위한 총비용을 최소화할 수 있다. 하나의 가열로에 있는 유량 측정 적용 분야마다 다수의 유량계가 설치되며, 하나의 에틸렌 플랜트에 여러 개의 가열로가 있다는 것을 고려할 때 이러한 어플리케이션에 적용하기 위한 기술을 선택하는데 있어 한 번의 실수가 오랜 시간치명적인 영향을 미친다는 사실을 기억해야 할 것이다.

한국오므론 제공

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